某圓管帶式輸送機41m 大跨度水平弧鋼桁架結構設計淺談

徐蘭芳

（福建龍凈環保股份有限公司， 福建 龍巖 364000）

0 引言

圓管帶式輸送機系統（簡稱管帶機）作為一種環保新型的連續輸送設備，逐步引起國民經濟各行各業的重視，越來越廣泛應用于港口、冶金、電力及石油化工等行業，用來輸送煤、礦粉、硫鐵礦渣、糧食等散體物料。由于管帶機輸送線路長，荷載較小，且桁架結構是最經濟的一種梁形式，所以桁架結構及大跨度桁架結構在圓管帶式輸送機設備中得到了大量的應用。

1 工程概況

此項目為河南省漯河市某公司一條管徑300mm， 長度871m 的輸送玉米的圓管帶式輸送系統，該41m 大跨度水平弧形鋼桁架由于要跨過一條近40m 的道路，由于場地受限，管帶機剛好在41m 大跨度位置出現一個很大的水平方向的轉彎，大跨度水平彎鋼桁架（偏心2.7m)在以前的項目中從未碰到過，幾乎找不到可以參考的相關資料，當時給結構設計工作帶來一定的難度和挑戰。

該41m 大跨度水平弧形鋼桁架在管帶機中部，不要求做成封閉形式，兩端總跨度直線距離為41m,寬2.6m,高2.85m，桁架中心線往外偏心2.7m,斷面形式（見下圖2）需做成為矩形（斷面內放小桁架）且不允許做支撐，斷面內小桁架兩邊為800mm 寬的檢修走道，走道鋪4mm 厚的花紋鋼板。結構平面及立面布置圖（見下圖1）

圖1 結構平面及立面布置圖

圖2 斷面形式

本工程的基本風壓0.4KN/M2,地面粗糙度類別為B 類，抗震設防烈度為70(0.10g),設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類。本工程由于在北方，溫差很大，最高溫是36o，最低溫是-8o。

2 鋼桁架結構計算

鋼桁架結構主要按動力特性和線性原理進行分析設計，采用上海同濟大學2012 年版3D3S 軟件三維空間整體建模計算分析。地震采用振型分解反應譜法(CQC)計算，荷載按各專業提資和相關規范選取，取各種荷載工況組合下五種最不利的受力進行設計及變形分析。

2.1 幾何模型

該桁架的上下弦及豎桿均采用熱軋H 型鋼，腹桿采用等邊雙拼角鋼，端部豎桿采用和上下弦桿相同規格的H 型鋼。由于考慮桁架是以變形起控制作用，所以鋼材采用Q235B 材質。分別建立兩個模型對結構時行建模分析，一種計算模型是只有桁架結構（兩端均假設鉸支座），另一種計算模型是桁架和兩端柱子（柱高4.5m)一起整體結構(兩端設四柱，柱腳連接均為固定支座連接)，分析兩種計算模型下最不利情況進行構件截面設計。兩種計算模型三維模圖（見下圖3 和圖4）

圖3 （計算模型1）

圖4 （ 計算模型2）

2.2 荷載取值情況：

（1）恒載：包括工藝、電氣等專業荷載提資和結構構件自重，如電纜橋架重1.0KN/m,托輥及皮帶重0.5KN/m,走道+欄桿重量1KN/m,桁架自重軟件自動計算；

（2）活載：包括輸送的物料重量0.51KN/m,走道檢修荷載21KN/m2；

（3）風載：基本風壓為0.4KN/m2；面粗糙度類別為B 類，高度變化系數取1.0（柱子+桁架高度小于10m)；

（4）雪載：基本雪壓為0.4KN/m2；

（5）溫度荷載：最高溫是36o，最低溫是-8o(由于兩端假設為鉸支座，溫度應力沒有釋放，設計時應考慮溫度應力的影響）；

（6）地震荷載：抗震設防列度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g,設計地震分組為第一組。由于本工程為7 度地震區，按規范要求可以不考慮豎向地震作用，只計算兩個水平方向地震作用。地震力計算方法采用振型分解反應譜法。地震作用由軟件自動計算。

3 模型計算結果

3.1 結構動力計算：

對兩種模型計算結果進行比較發現，計算模型2 動力分析結果更不利，計算模型2 計算結果：鋼桁架的前5 個周期，結構固有頻率出現在剛度較小的方向和部位.鋼桁架的第一振型為豎向平動（自振周期為0.458s），第二振型為前后方向平動（自振周期為0.349s），第三振型為空間彎曲和扭轉（自振周期為0.172s），根據這些動力分析說明桁架中間位置剛度較小，這也說明模型分析與實際結構情況較相符。鋼桁架最大自振周期為0.458s，說明結構剛度在正常范圍內，同時振型為整體建模分析，表明設計比較合理。

3.2 結構位移計算：

對兩種模型計算結果進行比較發現，計算模型1 結構位移更不利，且變形最大處均出現在桁架中部，說明桁架中間位置剛度較小，這也說明模型分析與實際結構情況較相符。

計算模型1 計算結果如下：

(1)桁架豎桿頂最大水平位移為13mm < 高度H/150=19mm。

(2)最大饒度為77mm<規范要求跨度的1/400=103mm。

(3)該結構各項變形均滿足規范要求。

下圖5 為兩種模型結構位移圖

圖5 兩種模型結構位移圖

3.3 桁架構件的強度、剛度驗算：

經過對兩種模型計算結果進行比較發現，兩種情況強度剛度值差別不大，且應力比最大地方都是在兩端豎桿及下弦桿（外弧）兩端。說明桁架端部位置剛度較大，這也說明模型分析與實際結構情況較相符。

結構最大強度應力比為0.83<1,最大整體穩定應力比為0.85<1，受壓構件最大長細比為112<150,受拉構件最大長細比為201<250；

3.4 構件截面及計算結果：

經過軟件兩種模型進行計算分析，最后構件設計截面取5 種，上下弦兩端豎桿為HM250X175,上下前后平面的端部腹桿截面為雙拼角鋼2L90X6，上下前后平面的中部腹桿截面為雙拼角鋼2L80X6，端部豎桿為HW250X250,中部豎桿為HN250X125.總用鋼量為19.8 噸。

該桁架各個構件的強度、穩定性及長細比、變形均滿足相關規范要求。

4 總結了大跨度弧形鋼桁架設計中注意的要點：

（1）支座設計：經過分析發現，桁架兩端支座反力比較大，而且此部位是很關鍵的部位，支座節點設計時盡量留大一些的余量。

（2）設計時如何考慮溫度應力的影響，如果桁架兩端支座假設為鉸接，溫度應力就無法釋放，所以設計時必須考慮溫度應力對結構的影響。

（3）注重節點設計：上下弦桿件對接處一定要按等強設計，上下弦桿件對接處、豎桿與上下弦連接處均采用開坡口熔透焊連接，其它腹桿連接采用角焊縫連接方式。

（4）此桁架是弧形偏心結構，兩端柱子建議設計成四柱形式（剛度較好），如果柱子是鋼柱設計時要和桁架一起整體建模分析。

（5）設計時桿件兩端鉸接或剛接假設，一定要確保與實際情況相符。如桁架斷面假設為剛接，一定要做三角加勁液（詳見斷面圖），實際才能達到剛接效果。

（6）此桁架是弧形偏心結構，經過建模分析發現，豎桿頂的變更（位移）起控制作用，所以在設計時，從結構形式、豎桿強弱軸方向等措施保證斷面的足夠剛度。

（7）此桁架跨度比較大，要在設計說明注明安裝時要起供，起供高度為跨度的1/500。

5 結論

采用3D3S 軟件兩種模型三維空間整體建模分析計算，與傳統的平面設計方法相比，計算結構更為準確，對于大跨度、結構較復雜的桁架結構應采用三維計算軟件進行分析計算，如果柱子也是鋼柱，最好桁架和柱子一起整體建模分析計算。

以上是我結合工程實際的一點淺談，對結構形式、計算模型的建立、荷載取值、結構計算方法、兩端支座的假設及計算結果合理性分析，總結了大跨度弧形鋼桁架設計中注意的要點。在今后的設計中，我們會認真聽取施工、運行上的意見，不斷總結設計經驗，使圓管帶式輸送機結構設計更加安全、經濟、合理。

此項目已投入運行將近2 年，此鋼桁架均未出現任何問題，該桁架的設計得到業主和公司領導一致好評和認可。圖6 為項目竣工后實景照片。

圖6 項目竣工后實景